- 牛顿运动定律
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(12 分)如图,质量的物体静止于水平地面的A处,A、B间距L=20m。用大小为30N,沿水平方向的外力拉此物体,经
拉至B处。(已知
,
。取
)
(1)求物体与地面间的动摩擦因数μ;
(2)用大小为30N,与水平方向成37°的力斜向上拉此物体,使物体从A处由静止开始运动并能到达B处,求该力作用的最短时间t。
正确答案
(1)0.5 (2)1.03s
试题分析:(1)物体做匀加速运动
(1分)
∴ (1分)
由牛顿第二定律
(1分)
(1分)
∴ (1分)
(2)设作用的最短时间为
,小车先以大小为
的加速度匀加速
秒,撤去外力后,以大小为
,的加速度匀减速
秒到达B处,速度恰为0,由牛顿定律
(1分)
∴(1分)
(1分)
由于匀加速阶段的末速度即为匀减速阶段的初速度,因此有
(1分)
∴ (1分)
(1分)
∴ (1分)
(2)另解:设力作用的最短时间为t,相应的位移为s,物体到达B处速度恰为0,由动能定理
(2分)
∴ (1分)
由牛顿定律
(1分)
∴ (1分)
∵ (1分)
(1分)
点评:本题第一问物体从A到B做匀加速直线运动,第二问力作用的时间最短时,物体先做匀加速运动后做匀减速运动且到B的速度恰好减为零。
如图所示,物体A的质量为M=1 kg,静止在光滑水平面上的平板车B的质量为m=0.5 kg、长为L=1 m.某时刻物体A以v0=4 m/s向右的初速度滑上平板车B的上表面,在A滑上B的同时,给B施加一个水平向右的拉力.忽略物体A的大小,已知A与B之间的动摩擦因数为μ=0.2,取重力加速度g=10 m/s2.试求:如果要使A不至于从B上滑落,拉力F应满足的条件.
正确答案
1 N≤F≤3 N.
物体A滑上平板车B以后做匀减速运动,由牛顿第二定律得μMg=MaA,解得aA=μg=2 m/s2. 1 分
物体A不滑落的临界条件是A到达B的右端时A、B具有共同的速度v1,
则:-
=L,又
=
2
联立解得v1=3 m/s,aB=6 m/s2. 1 分
拉力F=maB-μMg=1 N. 1 分
若F<1 N,则A滑到B的右端时,速度仍大于B的速度,于是将从B上滑落,所以F必须大于等于1 N. 1 分
当F较大时,在A到达B的右端之前,就与B具有相同的速度,之后,A必须相对B静止,才不会从B的左端滑落.
对A、B整体和A分别应用牛顿第二定律得:
F=(m+M)a,μMg=Ma,解得F=3 N 2 分
若F大于3 N,A就会相对B向左滑下.
综合得出力F应满足的条件是1 N≤F≤3 N. 2分
本题考查牛顿第二定律的应用,物体A画上木板车后再滑动摩擦力作用下A做匀减速直线运动,随着A的减速和B的加速,当A运动到B的右端时两者共速,这是不掉下来的临界条件,由各自的分运动和位移关系可以求得运动时间和速度大小,再以木板车为研究对象可以求得拉力F大小,然后在分情况讨论
(8分)如图所示,在光滑的桌面上叠放着一质量为mA=2Kg的薄木板A和质量为mB=3Kg的金属块B。A的长度l=2m。B上有轻线绕过定滑轮与质量为mC=1Kg的物块C相连,B与A间的动摩擦因素μ=0.1,最大静摩擦力可视为等于滑动摩擦力。忽略滑轮质量及与轴间的摩擦,开始时各物体都处于静止状态,绳被拉直,B位于A的左端,然后放手。求经过多长时间后B从A的右端脱离(设A的右端距滑轮足够远)(g取10m/s2)。
正确答案
t=4.0s
本题考查牛顿第二定律的应用,以BC为研究对象分析受力情况,列出牛顿第二定律的公式,再以A为研究对象求得加速度,由运动学公式,两者相对位移为L,列式求解
以桌面为参考系,令aA表示A的加速度,aB表示B、C的加速度,xA和xB分别表示 t时间内A和B移动的距离,则由牛顿定律和匀加速运动的规律可得,
以B、C为研究对象
mCg-μmBg=(mC+mB)aB (3分)
以A为研究对象:μmBg=mAaA (2分)
则由xB= aBt2 (2分)
xA= aAt2 (2分)
xB-xA=L (2分)
由以上各式,代入数值,可得t="4.0" s
飞船降落过程中,在离地面高度为h处速度为v0,此时开动反冲火箭,使船开始做减速运动,最后落地时的速度减为v0若把这一过程当作为匀减速运动来计算,则其加速度的大小等于______.已知地球表面处的重力加速度为g,航天员的质量为m,在这过程中航天员对坐椅的压力等于______.
正确答案
由运动学位移-速度关系式得:
2ah=v2-v02
解得:
a=
此减速过程,对航天员受力分析知其受重力和座椅的支持力,由牛顿第二定律得:
F-mg=ma
解得:
a=mg+
由牛顿第三定律知,航天员受到的支持力大小等于宇航员对座椅的压力大小.
故答案为:
mg+
如下图所示,静止放在长直水平桌面上的纸带。其上有一小铁块,它与纸带右端的距离为0.5m,铁块与纸带间、纸带与桌面间动摩擦因数均为μ=0.1。现用力F水平向左将纸带从铁块下抽出,当纸带全部抽出时铁块恰好到达桌面边缘,铁块抛出后落地点离抛出点的水平距离为x=0.8 m。已知g="10" m/s2,桌面高度为H="0.8" m,不计铁块大小,铁块不滚动。求:
(1)铁块落地时的速度大小。
(2)纸带从铁块下抽出所用的时间及开始时铁块距左侧桌边的距离。
正确答案
(1)m/s
(2)2s
:(1)设铁块抛出时的初速度为v0,由平抛运动规律,有水平方向:x=v0t竖直方向:H=gt2
解得v0=2m/s
由机械能守恒定律,可得:mgH+m
=
mv2
解得v=2m/s故纸带从铁铁块落地时的速度大小为2
m/s.
(2)纸带从铁块下抽出所用的时间与铁块向左运动到桌边的时间相等.开始时距离桌面左端的距离就等于铁块在桌面上向左运动的位移.铁块向左运动过程中,a==μg=1m/s2
铁块从静止开始向左运动的位移为L,由=2al,得L=2m.由公式v0=at,得t=2s
故纸带从铁块下抽出所用的时间为2s,开始时铁块距左侧桌边的距离2m.
如图所示,质量为的飞机以水平初速度
飞离跑道后逐渐上升,若飞机的水平速度
不变,同时受到重力和竖直向上的恒定的升力,今测得飞机水平方向的位移为L时,上升的高度为
,求:
(1)飞机竖直方向上的加速度大小;
(2)飞机受到的升力大小;
(3)飞机上升至高度的速度大小.
正确答案
(1)飞机在水平方向做匀速直线运动
故有
又因为飞机在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动故有
由以上两式得:
(2)由牛顿第二定律,对飞机有:
所以飞机受到的升力大小为:
(3)设飞机上升高度时竖直速度为
,则有
所以
略
水平面上有一直角坐标系,在原点处有一物块,其质量m=2kg,受到位于坐标平面内的三个共点力的作用而处于静止状态.其中F1=2N沿x轴正方向,F2=4N沿y轴负方向,F3末知.从t=0时刻起,F1停止作用,到第2s末F1恢复作用,F2停止作用,则第4s末此物块的位置坐标是?
正确答案
F1停止作用后,物体受到的合力F=F1=2N,方向沿x,负方向,
由牛顿第二定律得:F=ma1,解得:a1==
=1m/s2,
x1=a1t12=
×1×22=2m,vx=a1t1=1×2=2m/s;
F2停止作用,物体受到的合力F′=F2=4N,方向沿y轴正方向,
此时加速度:a2==
=2m/s2,y=
a2t22=
×2×22=4m,
在x轴方向上,x2=vxt2=2×2=4m,x=x1+x2=2+4=6m,
则第4s末此物块的位置坐标为(-6,4).
答:第4S末物块出现在(-6,4).
如图所示,在水平地面上固定一倾角θ=37°、表面光滑的斜面体,物体A以v1=6m/s的初速度沿斜面上滑,同时在物体A的正上方,有一物体B以某一初速度水平抛出.如果当A上滑到最高点时恰好被B物体击中.(A、B均可看做质点,sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2)求:
(1)物体A上滑到最高点所用的时间t;
(2)物体B抛出时的初速度v2.
正确答案
(1)物体A上滑的过程中,由牛顿第二定律得:
mgsinθ=ma
代入数据得:a=6m/s2
设经过t时间B物体击中A物体,由运动学公式:0=v1-at
代入数据得:t=1s.
(2)平抛物体B的水平位移:x=v1tcos37°=2.4m
平抛速度:v2==2.4m/s.
答:(1)物体A上滑到最高点所用的时间t为1s;
(2)物体B抛出时的初速度v2为2.4m/s.
把物体竖直地挂在劲度系数为1000N/m的弹簧下端,弹簧伸长2cm.如果把该物体放在动摩擦因数为0.20的水平地面上,用同一根弹簧沿水平方向拉物体,当物体匀速直线运动时弹簧伸长______cm.当弹簧伸长2cm时,物体的加速度为______m/s2.(g取10m/s2)
正确答案
已知弹簧的劲度系数k=1000N/m,当弹簧伸长2cm时,弹簧的弹力为20N,即物体的重力为20N故其质量为2kg.
当物体放在动摩擦因数为0.20的水平地面上时,物体与地面间的滑动摩擦力大小f=μFN=μmg=4N,所以物体匀速运动时拉力大小等于摩擦力的大小即F=f=4N,根据胡克定律弹簧的伸长量x==
m=0.4cm
当弹簧伸长量为2cm时,弹簧的弹力大小为20N,物体水平方向受到拉力F=20N,摩擦阻力f=4N,知F合=F-f=ma,可得物体产生的加速度
a==
m/s2=8m/s2
故答案为:0.4,8
如图甲所示,质量为m=lkg的物体置于倾角为θ=37°.的固定且足够长的斜面上,对物体施以平行于斜面向上的拉力,tl=1s时撤去拉力,物体运动的部分V-t图象如图乙所示试求:(sin37°=0.6,cos37°=0.8g=10m/s2)
(1)拉力F的大小.
(2)t2=4s时刻物体的速度V的大小.
正确答案
(1)设力F作用时物体的加速度为a1,对物体进行受力分析,由牛顿第二定律可知F-mgsinθ-μmgcosθ=ma1
撤去力去,由牛顿第二定律有mgsinθ+μmgcosθ=ma2
根据图象可知:a1=20m/s2,a2=10m/s2
代入解得F=30N μ=0.5
(2)在物块由A到C过程中,设撤去力后物体运动到最高点时间为t2,υ1=a2t2,解得t2=2s
则物体沿着斜面下滑的时间为t3=t-t1-t2=ls
设下滑加速度为a3由牛顿第二定律mgsinθ-μmgcosθ=ma3
有a3=2m/s2
t=4s时速度υ=a3t3=2m/s
答:(1)拉力F的大小为30N.
(2)t2=4s时刻物体的速度V的大小为2m/s.
如图,水平放置金属导轨M、N,平行地置于匀强磁场中,间距为L,磁场的磁感强度大小为B,方向与导轨平面夹角为α,金属棒ab的质量为m,放在导轨上且与导轨垂直,且与导轨的动摩擦因数为μ.电源电动势为E,定值电阻为R,其余部分电阻不计.则当电键调闭合的瞬间,棒ab的加速度为多大?
正确答案
由题意知,电键闭合时,导体棒中通过的电流方向是从a到b,根据左手定则知,导体棒受到的安培力方向如图所示
因为导体棒受四个力作用下在水平方向运动,故导体棒在竖直方向所受合力为0
由题意得:F=BIL
则导体棒所受的合力F合=F合x=Fsinα
由平衡条件得:FN=mg+BILcosα
根据牛顿第二定律,BILsinα-μFN=ma
在电路中,根据闭合电路欧姆定律I= 知,
所以导体棒产生的加速度a=
答:棒ab的加速度大小为.
如图所示,质量为m、边长为L的正方形金属线框,放在倾角为θ的光滑足够长的斜面的底端,整个装置处在与斜面垂直的磁场中,在斜面内建立图示直角坐标系,磁感应强度在x轴方向分布均匀,在y轴方向分布为B=B0+ky(k为大于零的常数).现给线框沿斜面向上的初速度v0,经时间t0线框到达最高点,然后开始返回,到达底端前已经做匀速运动,速度大小为v0/4.已知线框的电阻为R,重力加速度为g.求:
(1)线框从开始运动到返回底端的过程中,线框中产生的热量;
(2)线框在底端开始运动时的加速度大小;
(3)线框上升的最大高度.
正确答案
(1)线框从开始运动到返回底端的过程中,线框的动能减小转化为内能,根据能量守恒得:
Q=m
-
m(
)2=
m
(2)感应电动势:E=△BLv0=k△yLv0=kL2v0
感应电流:I==
合安培力:F=△BIL=k△yIL=kIL2=
根据牛顿第二定律:mgsinθ+F=ma
得:a=gsinθ+
(3)在上升过程中,由牛顿第二定律,得:mgsinθ+=ma
又a=,得:
mgsinθ+=m
mgsinθ•△t+△t=m△v
两边求和得:
(mgsinθ•△t+
△t)=
m△v
而△y=v△t
得:(mgsinθ•△t+
△y)=
m△v
解得:mgsinθ•t0+•
=mv0
∴h=
答:
(1)线框从开始运动到返回底端的过程中,线框中产生的热量是m
;
(2)线框在底端开始运动时的加速度大小是gsinθ+;
(3)线框上升的最大高度是.
如图所示,固定斜面的倾角θ=30°,物体A与斜面之间的动摩擦因数为μ=,轻弹簧下端固定在斜面底端,弹簧处于原长时上端位于C点.用一根不可伸长的轻绳通过轻质光滑的定滑轮连接物体A和B,滑轮右侧绳子与斜面平行,A的质量为4kg,B的质量为2kg,初始时物体A到C点的距离为L=1m.现给A、B一初速度v0=3m/s使A开始沿斜面向下运动,B向上运动,物体A将弹簧压缩到最短后又恰好能弹到C点.已知重力加速度为g=10m/s2,不计空气阻力,整个过程中,轻绳始终处于伸直状态,求此过程中:
(1)物体A沿斜面向下运动时的加速度大小;
(2)物体A向下运动刚到C点时的速度大小;
(3)弹簧的最大压缩量和弹簧中的最大弹性势能.
正确答案
(1)物体A沿斜面向下运动时,B向上做运动,两者加速度大小相等,以AB整体为研究对象,根据牛顿第二定律得
a=
代入解得 a=-2.5m/s2.
(2)由v2-=2aL得 v=
=2m/s
(3)设弹簧的最大压缩量为x.物体A将弹簧压缩到最短后又恰好能弹到C点,整个过程中,弹簧的弹力和重力对A做功均为零.设A的质量为2m,B的质量为m,根据动能定理得
-μ•2mgcosθ•2x=0-•3mv2
得 x=0.4m
弹簧从压缩最短到恰好能弹到C点的过程中,对系统根据能量关系有
Ep+mgx=2mgxsinθ
因为mgx=2mgxsin θ
所以Ep=fx=mv2-
μmgL=6J
答:(1)物体A沿斜面向下运动时的加速度大小是2.5m/s2;
(2)物体A向下运动刚到C点时的速度大小是2m/s;
(3)弹簧的最大压缩量是0.4m,弹簧中的最大弹性势能是6J.
如图所示,从阴极K发射的热电子(初速度不计)质量为m、电量为e,通过电压U加速后,垂直进入磁感应强度为B、宽为L的匀强磁场(磁场的上下区域足够大)中.求:
(1)电子进入磁场时的速度大小;
(2)电子离开磁场时,偏离原方向的距离.
正确答案
(1)设电子进入磁场时的速度为v
由动能定理有eU=mv2所以v=
(2)电子进入磁场后做匀速圆周运动,设运动半径为R
由牛顿第二定律得:evB=
所以 R=
讨论:①若R>L,即U>.电子从磁场右边界离开
由几何关系知偏转距离为d=R-
代入数据并整理得d=(
-
)
②若R≤L,即U≤,电子从磁场左边界离开
由几何关系知偏转距离为 d=2R
代入数据并整理得d=
答:(1)电子进入磁场时的速度大小为.
(2):①若R>L,电子离开磁场时,偏离原方向的距离(
-
),
②若R≤L,电子离开磁场时,偏离原方向的距离.
如图所示,AB为一水平放置的绝缘平板,虚线L右边存在着垂直纸面向里的匀强磁场B.从t=0时刻起再在虚线L右边加一水平向左的电场,电场强度E随时间t的变化规律是
E=Kt.平板上有一质量为m、带电量为q的物体.物体与平板的动摩擦因素为μ.某时刻以速度u从虚线左边进入磁场,进入磁场后正好作匀加速运动.(不考虑电场变化对磁场的影响)
(1)物体带何种电荷?
(2)物体运动的加速度a是多大?
(3)物体刚进入磁场时电场强度是多大?
正确答案
(1)由于粒子做匀加速直线运动,虽然电场力增大,但由于速度的增加,使摩擦力增大,则电场力与摩擦力的合力却不变,故物体带负电荷;
(2)刚进入磁场瞬间,由牛顿第二定律得:
F合=qkt-μ(mg+Bqv)=ma ①
进入磁场△t瞬间,由牛顿第二定律得:
F′合=qk(t+△t)-μmg-μ Bq(v+a△t)=ma ②
解①②得:a= ③
(3)③式代入①式得:t=+
+
④
E=kt=+
+μBv ⑤
答:(1)物体带负电荷;
(2)物体运动的加速度a是;
(3)物体刚进入磁场时电场强度是+
+μBv.
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